单片机的由来及基础原理

在我们的日常生活中所使用的家用电气与电子器件中包含有各种各样的集成电路板。电路板上的零件使电子产品具有多种功能。在集成电路板中最重要的零件莫过于单片机。单片机是一种集成电路芯片，它采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器CPU和存储器以及多种IO接口集成在一起。

在1971年全球第一个型号为4004的计算机微处理器，由美国英特尔公司推出。同时，单片机的技术也逐渐发展并得到广泛应用。单片机全称单片微型计算机又称为微型控制器，可以理解为精简版的计算机。

单片机主要由三部分组成，分别是CPU，存储器和IO。这三个组成部分的功能是什么呢？

CPU的主要功能是运算和控制。运算就是进行各种数学计算，而控制就是根据程序代码来控制输入输出以及电平的高低。那么程序代码存放在什么地方呢？

程序代码是放在存储器中的。单片机中的存储器一般分为两种，一种是只读存储器ROM，另一种是随机存储器RAM。只读存储器，用来存储用户编译好的程序，运行时CPU直接从只读存储器中读取指令来运行。指令运行过程中产生的临时数据，如变量放在随机存储器中。所以可以理解为只读存储器是用来存放程序的，随机存储器是用来存放数据的。

IO是输入输出模块，主要用于外部电路与CPU进行沟通。

那么这三者的具体工作流程是怎样的呢？

这是一个单片机内部包含CPU，只读存储器，随机存储器和IO输入输出模块。首先将写好的程序通过下载器烧录到单片机的只读存储器ROM，然后程序逐条进入CPU，并在CPU内执行。例如CPU可以按照程序指示并通过IO模块输出高电平，点亮外部发光二极管。

如果程序所对应的指令为运算指令，那么CPU就执行运算过程。如果在运算过程中产生了变量，那么产生的变量将存放在随机存储器中。因为CPU内部没有存放变量的地方。

IO接口是单片机与外界的接口，可以作为数据接口对外部存储器进行读写，也可以作为控制接口输出控制指令，如电机控制继电器控制等。也可作为人机交互接口，如液晶显示，键盘输入等。单片机中的各个模块是按统一的节拍同步工作的，这个统一的节拍来源于单片机的时钟，时钟信号是一个高低电瓶交错的信号。单片机在一个时钟周期内只能执行一条指令，而且单片机的时间单位都是时钟周期的整数倍。时钟信号来源于振荡器，振荡器分为内部RC振荡器和外部晶体振荡器，简称晶振。

由于内部RC振荡器的误差比较大，所以一般采用外部晶振在配合晶振电路，通电后产生一定频率的时钟信号。单片机的各个部件都要根据时钟信号协调工作。时钟周期的长度影响了单片机的速度，所以晶体振荡频率也叫做单片机的主频。主频越高，单片机的性能也越高。单片机的频率一般为百兆赫兹级别，而电脑CPU的频率一般为千兆赫兹级别。

总的来说，单片机是一种集成电路芯片，它采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器CPU，存储器以及多种IO接口集成在一起。CPU的主要功能是运算和控制，只读存储器ROM是用来存放程序的,随机存储器RAM用来存放数据的。IO是输入输出模块，可以用作数据接口控制接口或人机交互接口。

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科普——单片机的前世今生

说到单片机，电子行业的人员想必很是熟悉，但是对于一般人而言，还是一个相当陌生的名词。单片机，又名MCU，全称为：Microtroller Unit，即微处理单元。

大家对于手机，电脑这样的CPU很是了解，而单片机其实就是将CPU的功能无限缩减为最简单的样子，他不具备很快的运行速度与处理能力，一切为了能够以低成本的方式融入生活与生产之中。并且单片机中也分多个系列型号品牌，这些单片机分别拥有自己独有的特性和功能，有的功能极致简单，追求最便宜的成本；有些运行速度较快，适用一些对性能有要求的场景。

而关于单片机的前世，其实并不遥远，既然本质上与CPU同根同源，单片机的发展速度与CPU基本是吻合的。

单片机的前世

上世纪70年代初，第一个4位的微处理器诞生了，这正是真正意义上单片机的起源，而研发公司正是当前也大名鼎鼎的英特尔公司。但当时的微处理器处理能力低下，适用范围极小，所以并没有大面积应用。随后，英特尔并没有放弃这方面的研究，因为仪器仪表，家用电器等等方面的工业生产对此有着巨大的需求，必须让单片机这样襁褓中的婴儿茁壮成长，所以英特尔在70-80年代10年间积极推动单片机的发展，晶体管数量成倍增加，单片机的功能日渐丰富，于70年代后半段就已经出现了MCS系列为代表的8位MCU，其具有自己的RAM/ROM，并且还配置了8位并行的I/O接口，8位的定时器/计数器。

虽然对于现在的单片机而言，这些都是小儿科，但是对于单片机的发展而言，这些东西的出现正是推动着单片机走向仪器仪表，走向家用电器，走向工业生产的最大助力。之后在80年代、90年代，单片机的发展就转变为稳步发展，性能逐渐强悍，成本逐渐降低，可靠性越来越强，那么应用范围也自然越来越广泛。

单片机的今生

前面介绍了单片机以及单片机的起源发展，经历了半个世纪的发展，单片机在今天已经非常常见，几乎所有的家用电机、路灯—红绿灯、基建之中，都有微处理器的身影。

单片机有着许多核心的功能，比如：

定时器 （根据自身的主频，提供时基，实现计时/计数的功能）；

IO口 （I—input，即为输入，O—output，即为输出，就是检测外部高低电平和输出高低电平的功能，这其实极为重要，一个IO口的高低电平就能通过外部电路，控制路灯的亮灭）；

外部中断 （即为外部信号可以触发中断执行特定内容，这在信号采集中十分常见，也非常必要）；

通信接口 （比如串口，IC，SPI等等，这些硬件通讯协议能够让两个MCU或者其它设备之间能进行稳定通讯，对于设备的拓展性有着极为重要的作用）。

拿我司举例，其实应用了非常多的不同型号/特性的单片机，比如针对工业信号采集的，就有IO检测、AD检测这些特性，就需要在这些方面表现优异的单片机；再比如需要具有音频相关功能，我们就会采用集成了相关功能的单片机或者模组。同时对于和电脑之间的通讯，则是运用到了串口外设，通过串口转USB，就可以与电脑进行通讯。我司作为一个常年使用各类单片机的嵌入式物联网公司，也能侧面反映单片机发展的缩影，单片机功能强大，种类繁多，能够适用于很多不同的场景。

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